СПОСОБ ПОДКЛЮЧЕНИЯ НИЗКОПОТЕНЦИАЛЬНОГО ИСТОЧНИКА ТЕПЛОТЫ К СИСТЕМЕ ГОРЯЧЕГО ВОДОСНАБЖЕНИЯ Российский патент 2024 года по МПК F24D3/18 F24D17/02 

Изобретение относится к области теплоэнергетики и может быть использовано в системах горячего водоснабжения (далее - ГВС) жилых и общественных зданий, жилых микрорайонов.

Сети централизованного теплоснабжения, предназначенные для отопления и ГВС домов и других зданий, хорошо известны, в частности, в определенных странах. В сетях централизованного теплоснабжения, теплоноситель (обычно воду и/или водяной пар с некоторыми добавками) нагревают в котельной/теплоэлектроцентрали (ТЭЦ). Оттуда теплоноситель распределяют по трубам, а иногда и через промежуточные теплообменники или смешивающие контуры во множество зданий. В зданиях находятся индивидуальные тепловые пункты, где происходит нагрев водопроводной воды для целей ГВС, а теплоноситель используют в общих целях отопления и ГВС.

В настоящее время при теплоснабжении зданий различного назначения широко используется двухступенчатая схема присоединения подогревателей ГВС. Схема присоединения подогревателей ГВС в закрытых системах теплоснабжения выбирается в зависимости от соотношения максимального потока теплоты на горячее водоснабжение Q_hmax и максимального потока теплоты на отопление Q_omax (см., например, Свод правил СП 510.1325800.2022 «Тепловые пункты и системы внутреннего теплоснабжения»):

0,2 ≥ Q_hmax/Q_omax ≥1,2 - одноступенчатая параллельная схема;

0,2 < Q_hmax/Q_omax <1.2 - двухступенчатая схема.

Распространенной является рекомендация (см., например, № 261-ФЗ Федеральный закон Российской Федерации «об энергосбережении и о повышении энергетической эффективности и о внесении изменений в отдельные законодательные акты Российской Федерации» использования низкопотенциальных источников теплоты для систем ГВС. Однако при использовании тепловых насосов температура нагреваемой среды значительно влияет на коэффициент их производительности COP (аббр. Coefficient of Performance), равный отношению полной теплопроизводительности к полному энергопотреблению. Нагревание теплоносителя до температуры 65-70°С, необходимой для обеспечения санитарной нормы температуры горячей воды приводит к существенному увеличению потребляемой энергии тепловым насосом и снижению экономической эффективности использования теплового насоса. С другой стороны, в двухступенчатой схеме присоединения подогревателей ГВС нагрев воды разделяется на две части, в первой ступени до 35-40°С, во второй до 65°С, что удобно для использования тепловых насосов в качестве источника теплоты для первой ступени подогрева.

Из уровня техники известна система отопления, кондиционирования и горячего водоснабжения на базе возобновляемых источников энергии (см. Ефимов Н.Н. Система отопления, кондиционирования и горячего водоснабжения на базе возобновляемых источников энергии для Южного федерального округа // Технические науки. Известия ВУЗов. Северо-Кавказский регион. - 2012. - № 1. - С. 62-65 / [Электронный ресурс]. - Режим доступа: URL: https://cyberleninka.ru/article/n/sistema-otopleniya-konditsionirovaniya-i-goryachego-vodosnabzheniya-na-baze-vozobnovlyaemyh-istochnikov-energii-dlya-yuzhnogo/viewer), работающая в режимах отопления и ГВС; пассивного кондиционирования и ГВС. Переключение с одного режима работы на другой осуществляется путем переключения потоков трехходовыми клапанами с помощью сервоприводов. Управляющий сигнал на сервоприводы поступает от комнатного термостата, расположенного в помещении теплового пункта. В режиме отопления и ГВС трехходовые клапаны по сигналу термостата переключаются. В этом случае тепловой насос работает в номинальном режиме, обеспечивая и отопление, и ГВС потребителя. В режиме пассивного кондиционирования и ГВС по сигналу термостата, трехходовые клапаны отключают тепловой насос от отопления и подключают грунтовый теплообменник напрямую к фанкойлам, обеспечивающим охлаждение воздуха в помещении. ГВС по-прежнему осуществляется тепловым насосом, который в этом случае работает на сниженной нагрузке.

Известна система ГВС (см. патент CN 206300246 U, опубл. 04.07.2017), включающая в себя: резервуар для теплоснабжающей воды, вход со стороны низкотемпературного приемника соединен с трубой подачи воды, а выход со стороны низкотемпературного приемника соединен с трубопроводом горячей воды; фотоэлектрический и одна фототермическая солнечная подсистема соединена через первый теплообменник с входным/выходным портом резервуара для подачи воды на стороне первого источника тепла; наружная подсистема теплообмена с земным тепловым насосом соединена через второй теплообменник с фотоэлектрическим и фототермическим солнечным теплообменником подсистемы, а вырабатываемая тепловая энергия предназначена для одновременного нагрева мелкого слоя почвы при преобразовании солнечной энергии в электрическую с помощью группы клапанов в весеннем и осеннем режиме работы; также она связана с подсистемой, осуществляющей обмен тепла в помещении теплового насоса из земли, для прохождения через группу клапанов в рабочем режиме в зимнее время путем передачи энергии неглубокого слоя почвы в подсистему, обменивающую тепло в помещении геотермального теплового насоса; Подсистема, обменивающая тепло в помещении геотермального теплового насоса, подключается через 3-й теплообменник с входным/выходным портом резервуара для теплоснабжения со стороны вторичного источника тепла, а резервуар для теплоснабжения обеспечивается за счет передачи энергии мелкого слоя почвы группой клапанов с режимом работы в зимнее время.

Наиболее близким решением к заявляемому является система ГВС (см. патент РФ на изобретение № 2793831, опубл. 29.06.2022), содержащая подающий и обратный трубопроводы тепловой сети, систему отопления здания, используемую в качестве низкопотенциального источника теплоты, тепловой насос, циркуляционный насос. Система дополнительно содержит бак-аккумулятор горячей воды, рекуперативный теплообменный аппарат, трехходовой клапан и патрубки подвода и отвода теплоносителя подпитки, причем бак-аккумулятор горячей воды соединен с тепловым насосом по греющей среде, рекуперативный теплообменный аппарат установлен перед баком-аккумулятором горячей воды по нагреваемой среде, трехходовой клапан включен в контур системы отопления и соединен патрубком подвода теплоносителя подпитки с подающим трубопроводом тепловой сети, патрубок отвода теплоносителя подпитки включен в низкопотенциальный контур системы отопления перед трехходовым клапаном и соединен с обратным трубопроводом тепловой сети.

Недостатками известных аналогов является то, что они не предполагают подключения к двухступенчатому нагреву, которое повсеместно используется, например, в РФ. То есть разные существующие схемы подключения тепловых насосов к подогреву ГВС, требуют существенного совершенствования схемы подогрева.

Задачей, на решение которой направлено заявляемое изобретение, является разработка схемы присоединения подогревателей от теплового насоса к двухступенчатой схеме присоединения подогревателей ГВС для жилых и общественных зданий, жилых микрорайонов.

Технический результат изобретения заключается в расширении функциональных возможностей устройств индивидуальных тепловых пунктов с системами двухступенчатого нагрева путем обеспечения возможности подключения к ним энергоэффективных низкопотенциальных источников теплоты, а также уменьшении нагрузки на тепловую сеть и увеличении экономической эффективности ее использования.

Технический результат достигается способом подключения низкопотенциального источника теплоты к системе ГВС, включающего в себя этапы, на которых холодную воду из водопровода подают в по меньшей мере один подогреватель первой ступени, где ее нагревают посредством подачи теплоносителя из обратного трубопровода тепловой сети или посредством подачи тепла от низкопотенциального источника энергии. При этом теплоноситель от низкопотенциального источника энергии перекачивают через по меньшей мере один тепловой насос в бак-аккумулятор, в котором нагревают циркулирующий в нем теплоноситель. Теплоноситель в баке-аккумуляторе, вытеснившую холодную воду, перекачивают насосом в подогреватель первой ступени, где он нагревает воду, предназначенную для ГВС, а остывший теплоноситель из подогревателя первой ступени возвращается обратно в бак-аккумулятор и далее его подают в упомянутый тепловой насос. Нагретую в подогревателе первой ступени водопроводную воду подают в по меньшей мере один подогреватель второй ступени, где догревают теплоносителем из тепловой сети, после чего остывший теплоноситель направляют в обратный трубопровод тепловой сети, а нагретую воду подают на нужды ГВС, вода в системе ГВС здания частично возвращается через циркуляционный трубопровод в подогреватель второй ступени, смешиваясь с водой, поступившей из подогревателя первой ступени.

Под низкопотенциальным источником энергии в рамках описанного изобретения понимается вторичный или возобновляемый источник энергии, например, тепло вытяжного воздуха, тепло грунтовых или сточных вод, или другой низкопотенциальный источник энергии.

Под теплоносителем понимается весь объем нагретой воды, перемещающийся по трубопроводам в систему отопления или в систему ГВС, а также пар и конденсат.

Сущность заявляемого изобретения поясняется фигурами. На фигуре 1 изображена схема подключения низкопотенциального источника теплоты в виде теплового насоса к системе ГВС с нагревом от обратного трубопровода тепловой сети, на фигуре 2 - схема подключения низкопотенциального источника теплоты в виде теплового насоса к системе ГВС с нагревом от теплового насоса. Цифрами обозначено следующее:

1 - подогреватель первой ступени,

2 - подогреватель второй ступени,

3-7 - запорная арматура трубопровода,

8 - насос подпитки,

9 - циркуляционный насос для контура с подогревателем первой ступени,

10 - циркуляционный насос для контура с тепловыми насосами,

11 - регулятор ограничения давления «до себя»,

12 - бак-аккумулятор,

13 - тепловой насос,

14-16 - запорная арматура трубопровода.

Система ГВС, реализующая заявляемое изобретение, имеет две ступени нагрева: до температуры 35°-40°С (осуществляется по меньшей мере одним подогревателем первой ступени 1) и в диапазоне от 35°-40°С до санитарной нормы 65-70°С (осуществляется по меньшей мере одним подогревателем второй ступени 2). При этом нагрев может осуществляться двумя вариантами: от обратного трубопровода тепловой сети или от теплового насоса 13. Подогреватели первой ступени 1 и второй ступени 2 имеют конструкцию и принцип работы теплообменных аппаратов: один из потоков воды является греющим теплоносителем, другой - нагреваемой горячей водой для санитарных нужд. При этом теплота от более нагретого теплоносителя через поверхность стенок подогревателя передаётся менее нагретому теплоносителю. Подогреватель первой ступени 1 присоединен к обратному трубопроводу тепловой сети через трубопроводы с запорной арматурой (задвижки) 3 и 4. Также подогреватель первой ступени 1 присоединен к по меньшей мере одному тепловому насосу 13 через трубопроводы с запорной арматурой (задвижки) 5, 6 и бак аккумулятор12. Количество тепловых насосов 13 зависит от характера низкопотенциального источника энергии. Тепловой насос 13 со стороны испарителя подсоединен к низкопотенциальному источнику тепловой энергии, а со стороны конденсатора системой трубопроводов соединен с баком-аккумулятором 12 и подогревателем первой ступени 1. Наличие бака-аккумулятора 12 обусловлено неравномерностью работы системы ГВС - есть часы пиковых нагрузок, есть часы минимальных нагрузок, а бак-аккумулятор позволяет сглаживать пики. Циркуляцию теплоносителя между баком-аккумулятором 12 и подогревателем первой ступени 1 осуществляет циркуляционный насос 9 для контура с подогревателем первой ступени, рассчитанный на обеспечение расхода теплоты через первую ступень подогрева при максимальном расходе нагреваемой водопроводной воды (максимальный часовой расход воды на ГВС). Циркуляцию теплоносителя между баком-аккумулятором 12 и тепловым насосом 13 осуществляет циркуляционный насос 10 для контура с тепловыми насосами, рассчитанный на обеспечение расхода теплоносителя при максимальной мощности всех тепловых насосов 13, если их более одного. Суммарная тепловая мощность тепловых насосов 13 должна быть не менее среднечасового расхода теплоты на подогрев первой ступени ГВС. Насос подпитки 8 предназначен для подпитки бака-аккумулятора 12 в случай внештатных ситуаций, когда возникает необходимость осуществить подпитку контура теплоносителя теплового насоса 13 из обратного трубопровода тепловой сети (см. Фиг. 1) либо из водопровода (см. Фиг. 2). Регулятор ограничения давления «до себя» 11 для теплового насоса 13 установлен на трубопроводе между тепловым насосом 13 и баком-аккумулятором 12, обеспечивает требуемое давление в тепловом насосе 13 и снижает его величину до допустимого значения в баке-аккумуляторе 12 и подогревателе первой ступени 1. Подогреватель второй ступени 2 присоединен к контуру циркуляции ГВС через трубопроводы с запорной арматурой (клапаны) 14-16.

Способ подключения низкопотенциального источника теплоты к системе ГВС осуществляется следующим образом. Предназначенную для ГВС воду из холодного водопровода подают в по меньшей мере один подогреватель первой ступени 1 известным способом, где ее нагревают от начальной температуры до температуры +35÷+40°С. Нагрев санитарной воды в подогревателе первой ступени 1 осуществляется подачей теплоносителя из обратного трубопровода тепловой сети или от по меньшей мере одного теплового насоса 13.

При работе подогревателя первой ступени 1 с нагревом от обратного трубопровода тепловой сети запорную арматуру 5-7 закрывают, а 3-4 - открывают.

При работе подогревателя первой ступени 1 от теплового насоса 13 запорную арматуру 3-4 закрывают, а 5-7 - открывают.

Тепловой насос 13 передает теплоту низкопотенциального источника энергии в бак-аккумулятор 12, нагревая теплоноситель примерно до 45°С для цели подогрева ГВС в подогревателе первой ступени 1. При прогревании к пиковым часам нагрузки горячая вода в баке-аккумуляторе 12 вытесняет холодную. Режим работы циркуляционного насоса 10, наполняющего бак-аккумулятор 12 теплом, заранее рассчитан и установлен в соответствии с информацией о пиковых часах и часах с минимальной нагрузкой. Насос 9 откачивает нагретый теплоноситель из верхней части бака-аккумулятора 12 и передает в подогреватель первой ступени 1, далее остывший теплоноситель возвращается в нижнюю часть бака-аккумулятора 12. Остывший теплоноситель в нижней части бака-аккумулятора 12, посредством циркуляционного насоса 10, через трубопроводы поступает в тепловой насос 13. В случае нагрева санитарной воды ГВС в подогревателе первой ступени 1 от обратного трубопровода тепловой сети насос 9 отключается. В случае возникновения необходимости восполнить контур теплоносителя теплового насоса 13, включают насос подпитки 8 и закачивают воду из обратного трубопровода тепловой сети (см. Фиг. 1) либо из водопровода (см. Фиг. 2). В случае превышения требуемого давления в точке входа нагретого теплоносителя из теплового насоса 13 в бак аккумулятор 12, клапан-регулятор ограничения давления 11 снижают его величину до допустимого значения в баке-аккумуляторе 12 и подогревателе первой ступени 1.

Вода, предназначенная для ГВС, нагретая в по меньшей мере в одном подогревателе первой ступени 1, поступает по трубопроводу через открытый клапан 14 в по меньшей мере один подогреватель второй ступени 2, где догревается до температуры +65…+70°С в соответствии с санитарными нормами теплоносителем, поступающим в подогреватель второй ступени 2 из тепловой сети (температура около +90…+150°С), после чего остывший теплоноситель направляют в обратный трубопровод системы теплоснабжения, а нагретую воду через открытый клапан 16 подают в контур циркуляции на нужды ГВС. Вода в системе ГВС здания, частично возвращается через циркуляционный в подогреватель второй ступени 2, смешиваясь с водой, поступившей из подогревателя первой ступени 1. При необходимости (например, при выполнении ремонтных работ) возможно отключение подогревателя второй ступени 2. В этом случае запорную арматуру 14 и 16 закрывают, а 15 - открывают.

Изобретение относится к области теплоэнергетики и может быть использовано в системах горячего водоснабжения (далее - ГВС) зданий. Технический результат заключается в расширении возможностей индивидуальных тепловых пунктов с системами двухступенчатого нагрева за счет возможности подключения энергоэффективных низкопотенциальных источников теплоты, уменьшении нагрузки на тепловую сеть, увеличении экономической эффективности. Способ подключения низкопотенциального источника теплоты к системе ГВС включает этапы, на которых холодную воду из водопровода подают в подогреватель первой ступени, где ее нагревают посредством подачи теплоносителя из трубопровода тепловой сети или посредством подачи тепла от низкопотенциального источника энергии, при этом тепло от низкопотенциального источника энергии перекачивают тепловым насосом в бак-аккумулятор, в котором нагревают теплоноситель, который далее перекачивают в подогреватель первой ступени, где он нагревает воду для ГВС, а остывший теплоноситель поступает обратно в бак-аккумулятор и затем в тепловой насос. Нагретую в подогревателе первой ступени воду подают в подогреватель второй ступени, где догревают теплоносителем из тепловой сети, после чего остывший теплоноситель направляют в трубопровод тепловой сети, а нагретую воду подают на нужды ГВС, вода в системе ГВС здания частично возвращается в подогреватель второй ступени, смешиваясь с водой из подогревателя первой ступени. 2 ил.

Способ подключения низкопотенциального источника теплоты к системе горячего водоснабжения, включающий в себя этапы, на которых холодную воду из водопровода подают в по меньшей мере один подогреватель первой ступени, где ее нагревают посредством подачи теплоносителя из обратного трубопровода тепловой сети или посредством подачи тепла от низкопотенциального источника энергии, при этом тепло от низкопотенциального источника энергии перекачивают через по меньшей мере один тепловой насос в бак-аккумулятор, в котором нагревают циркулирующий в нем теплоноситель, теплоноситель в баке-аккумуляторе, вытеснивший холодную воду, циркуляционным насосом перекачивают в подогреватель первой ступени, где он нагревает воду, предназначенную для горячего водоснабжения, а остывший теплоноситель поступает обратно в бак-аккумулятор и далее его подают в упомянутый тепловой насос, нагретую в подогревателе первой ступени воду подают в по меньшей мере один подогреватель второй ступени, где догревают теплоносителем из тепловой сети, после чего остывший теплоноситель направляют в обратный трубопровод тепловой сети, а нагретую воду подают на нужды горячего водоснабжения, вода в системе горячего водоснабжения здания частично возвращается через циркуляционный трубопровод в подогреватель второй ступени, смешиваясь с водой, поступившей из подогревателя первой ступени.